книги / Technologie des Kali - und Steinsalzbergbaus

2. Die Kalilagerstätlen

Steinsalz -und Kalivorkommen sind in fast allen geologischen Formationen vorhan­ den. Bauwürdige, d. h. mit ökonomischem Nutzen gewinnbare Kalilagerstätten sind in der Hauptsache im Perm und im Tertiär entstanden. Alle wichtigen Kalilager tre­ ten in Gesellschaft meist mächtiger Steinsalzvorkommen auf.

2.1.Salzmincralicn und Salzgesteine

Die Salzlagerstätten setzen sich aus einer Vielzahl einzelner Salzmineralien zusam­ men. Die Kenntnis ihrer Einzelkomponenten und ihrer physikalischen Eigenschaften ist für den Bergmann Voraussetzung für die Wahl der richtigen Abbaumethode und für den Kalichemiker Vorbedingung für das Finden der zweckmäßigsten Technologie in der Chlorkaliumfabrik. Deshalb sind die wichtigsten Salzmineralien in der Ta­ belle 1 zusammengestellt.

Außerdem treten noch auf, sind aber in der Verbreitung selten: Kainit, Bischofit, Schönit, Glaserit

Chemisch rein vorkommende Salzmineralien finden sich in unseren Gruben nur sel­ ten; Am reinsten tritt Steinsalz auf, das in speziellen Schichten einen NaCl-Gehalt bis 99 % aufweisen kann " Beimengungen anderer Mineralien, wie z. B. Anhydrit, setzen die Reinheit herab.

Der Hauptinhalt der Salzlagerstätten wird durch Salzgesteine gebildet, die sich aus einzelnen oder mehreren Salzmineralien zusammensetzen. Ihre namentliche Bezeich­

nung hat in der Vergangenheit mehrfach gewechselt. Heute sind die folgenden Be­ zeichnungen der Salzgesteine allgemein üblich:

Sylvinit: Sylvin mit Steinsalz (wertvollstes Kaligestein),

kieseritisches bzw. anliydritisches Hartsalz: Sylvin mit Steinsalz und Kieserit oder Anhydrit (wird heute in fast allen Betrieben der Kaliindustrie der DDR abgebaut),

Garnallitgestein: Carnallit mit Steinsalz (in der DDR am meisten verbreitet).

Auf die genaue Beschreibung der einzelnen Salzgesteine wird bei der Aufzählung der Kalilagerstättenbezirke näher eingegangen.

2.2.Entstehung der primären Lagerstätten

Die wichtigste Feststellung bei der Beschäftigung mit Fragen der Entstehung der Salzlagerstätten ist die Tatsache, daß alle Salze Sedimentgesteine marinen Ursprungs sind, d. h., erhandelt sich um Schicht- oder Absatzgesteine, die im Meer entstanden sind. Diese Feststellung ist in früheren Jahrzehnten oft angezweifelt worden, darf aber heute als erwiesen gelten. Die Hauptlagerstätten an Steinsalz und Kalisalzen sind vor rund 220 Millionen Jahren im Zechstein, d. h. in der jüngeren Abteilungy der Permformation, primär entstanden.

Die Entstehungsgeschichte der Kalilager können wir uns am besten klarmachen, wenn wir davon ausgehen, daß unsere heutigen Ozeane bestimmte Salze in gelöstem Zustand enthalten.

In 100 g normalem Meerwasser sind durchschnittlich enthalten:

In einigen Fällen ist der Gehalt an gelösten Stoffen wesentlich höher, z. B. im Toten Meer und in Teilen des Roten Meeres.

Setzt man Meerwasser im Labaratorium einer intensiven Wärmestrahlung aus, fallen Salze gesetzmäßig in einer ganz bestimmten Reihenfolge aus. Solche Vorgänge können auch heute noch in der Natur beobachtet werden. Eines der lehrreichsten Beispiele ist von sowjetischen Gelehrten vom Karabugas-Gol, einer Lagune am Ost­ rand des Kaspischen Meeres, beschrieben worden. Die Lagune ist durch eine Erhebung mit sehr schmaler Durchlaßöffnung vom Kaspischen Meer abgetrennt. Durch inten­ sive Sonneneinwirkung verdunstet das Salzwasser in der Lagune, was zu einer Aus­ fällung von Salzen in bestimmten Abscheidungsvorgängen führt. Es ist ermittelt worden, daß das Kaspische Meer dem Karabugas-Gol jährlich über 10 km3 Wasser mit fast 128 Mill. Tonnen Salz in gelöstem Zustand zuführt. Die Ausscheidungen bestehen aus Karbonaten und Gips.

Diese Beobachtungen bestätigen die Richtigkeit der Barren-Theorie des schwedischen Geologen O C H S E N IU S . Seine grundlegenden Arbeiten sind erstmalig 1877 veröffentlicht worden und mußten in den nachfolgenden Jahrzehnten mancher Kritik standhalten. O C H SE N IU S erklärt die Bildung der primären Salzlagerstätten ungefähr wie folgt:

Am Rande des großen Zechsteinmeeres lagen flache Binnenbecken, die vom Haupt­ meer durch eine Barre abgetrennt waren. Zufuhr an Meereswasser erfolgte nur bei

Überflutungen in bestimmten, zeitlich voneinander entfernt liegenden Abschnitten. In den flachen Binnenbecken mußte das Meerwasser bei starker und intensiver Son­ neneinstrahlung allmählich eindampfen und die vorher gelösten Salze ausscheiden. Da die mittlere Jahrestemperatur damals wesentlich über unseren heutigen Tempera­ turen lag, vollzogen sich diese Vorgänge intensiver, als es heute beobachtet werden kann.

Die Ablagerung der verschiedenen Salzarten aus dem Wasser des Zechsteinmeeres er­ folgte nicht gleichzeitig. Sie vollzog sich vielmehr im Laufe von Jahrmillionen gesetz­ mäßig in einer bestimmten Reihenfolge von unten nach oben. Die am schwersten lös­ lichen Salze wurden zuerst ausgeschieden, dann nacheinander die anderen, nach dem Grad ihrer Löslichkeit. Das Bild 2/1 gibt in schematischer Form diese Reihenfolge wieder. Entsprechend den chemischen Gesetzmäßigkeiten fielen zuerst die Karbonate aus, die heute im Südharzkaligebiet als Hauptdolomit im Liegenden der Lagerstätte vorhanden sind. Dann folgte schwefelsaures Gestein in Form von Gips bzw. Anhydrit. Darüber wurde Natriumchlorid, d. h. Steinsalz in, mächtigen Ablagerungen ausge­ schieden. Die am leichtesten löslichen verschiedenen Kalisalze lagerten sich erst als allerletzte Komponenten ab. Sie sitzen als wertvollstes Ausscheidungsprodukt in ge­ ringerer Mächtigkeit über allen vorher entstandenen Salzarten und bilden den A b­ schluß eines Ausscheidungszylclus (Hauptzyklus). Die unter ihnen liegenden Salze be­ zeichnet der Kalibergmann als Liegendes.

Die Ochseniussche Barrentheorie schließt ab mit der Behauptung, daß nach diesem Hauptzyklus die eigentliche Salzbildung beendet war und daß sich über den Kalisal­ zen durch Einwehungen von der Landseite her der Salzton ablagerte. Die oberste Schicht des Salztones ist dolomitisch ausgebildet, sie gilt als liegende Schicht eines neuen Ausscheidungszyklus, der nach O sich auf Grund einer neuen Über­ schwemmung der Barre entwickeln muß.

Mit Hilfe dieser Erklärung hat die geologische Wissenschaft ein sogenanntes Normal­ profil des deutschen Zechsteins entwickelt, das auf Grund zahlreicher Beobachtungen aus 4 Hauptzyklen in der oben beschriebenen Form besteht. Die einzelnen Zyklen

verlaufen in der beschriebenen Ausscheidungsfolge Karbonate, Sulfate, Chloride, Kali­ salze und werden jeweils abgeschlossen durch Einwehungen festländischer Tone. Die 4 Hauptzyklen verteilen sich entsprechend ihrer Entstehungszeit und ihrer ört - liehen Lage auf folgende Bereiche:

1. Hessischer Bereich (Werra-Fulda-Gebiet),

2. Staßfurter und Südharz-Bereich,

3. Niedersächsischer Bereich (Leinegebiet).

4. Niederrheinischer Bereich.

Die heute in Abbau stehenden Kalilager sind folgende:

die Flöze Hessen und Thüringen im Werra-Fulda-Gebiet, das Flöz Staßfurt im Staßfurter und Südharz-Bereich,

die Flöze Ronnenburg und Riedel im niedersächsischen Bereich und das Flöz Ronnenburg nördlich Magdeburg.

Die Theorie von O C IIS E N IU S , die zunächst von rein geologischen Gesichtspunkten aus­ ging, kann allein die vielgestaltigen Bildungsfaktoren bei der Entstehung unserer

• Kalilager nicht erklären. Auch rein chemische Erklärungen reichen hierfür nicht aus, da besonders physikalische Größen, wie Temperatureinflüsse u. ä., zweifellos eine be- ^ sondere Rolle gespielt haben. Nur das Zusammenwirken chemischer, physikalischer ^ und geologischer Faktoren und ihre genaue Rekonstruktion kann alle einzelnen Bildungsvorgänge erklären. Dennoch muß der Barrentheorie von O C IIS E N IU S als sehr

^brauchbarer Arbeitshypothese eine besondere Bedeutung zuerkannt werden.

In der jüngsten Vergangenheit haben sich mehrere Forscher bemüht, durch zahl­

reiche Versuchsreihen im Labor die Vorgänge beim Eindampfen von Meer\yasser zu ^rekonstruieren. Hier müssen die Arbeiten des holländischen Forschers V A N T ’H O FF 9 Erwähnung finden, die später von J Ä N E C K E fortgesetzt wurden. Die Arbeiten beider Forscher haben in erster Linie den Einfluß der Temperatur bei verschiedenen Zu­ sammensetzungen salzhaltiger Lösungen untersucht. Wird eine Lösung eingedampft, so scheidet sich nach dem Erreichen der entsprechenden Konzentration ein Boden­ körper in fester Form ab. Bei Wechsel des Temperatureinflusses kann man das Aus­ scheiden ganz bestimmter Salzarten veranlassen, d.h., der Gehalt der Lösung an Sal­ zen bewegt sich in bestimmten Kristallisationsbahnen. Wenn man, wie mehrfach an­ genommenwird, eine Bildungstemperatur von etwa 73 ° C annimmt, ist die Schichtung

der primären Kqlilagerstätten in folgender Reihenfolge vor sich gegangen: Natrium-Magnesium-Sulfat- Schicht,

Kali-Magnesia- Schicht, Kainitschicht, Carnallitschicht, Bischofitschicht.

Daraus ist zu ersehen, daß die primäre Salzausscheidung größtenteils andere Salze enthält, als sie heute beim bergmännischen Abbau vorgefunden werden.

2.3.Umbildungen der primären Lagerstätten in späteren geologischen Zeiten

Die ursprüngliche Bildung der Zechsteinsalze ist, wie bereits erwähnt wurde, vor rund 220 Mill. Jahren vor sich gegangen. Danach vpllzogen sich in der Erdgeschichte zahl­ reiche geologische Vorgänge, die verhinderten, daß die primär gebildeten Salzarten bis heute in ihrer ursprünglichen Form erhalten blieben.

den Vertaubungen bilden besonders im Südharzgebiet heute unangenehme Ein­ schlüsse in den Grubenfeldern, auch wenn an ihren Rändern häufig hochprozentige Hartsalze zu finden sind.

Ein klassisches Beispiel der Umwandlung von Salzen kann man aus dem heutigen Staßfurter Profil ableiten, in dem die sogenannten Hutsalze auftreten. Hier ist bei paralleler Anwesenheit von Carnallit und Kieserit unter Einwirkung von Wasser der Kainit entstanden. Die Verbindung mit dem Wasser war durch Aufpressen der Lager­ stätte in die Gebiete des Grundwassers eingetreten. Entsprechend der chemischen Zusammensetzung ist diese Umsetzung wie folgt vor sich gegangen:

Die aufgeführten Beispiele zeigen die vielfältigen Möglichkeiten der Veränderung einer primären Salzbildung durch Einwirkungen von Druck, Temperatur und Wasser. Die Möglichkeiten der Metamorphose sind derartig zahlreich, daß sie heute nur durch komplizierte Rekonstruktionen auf physikalisch-chemischem Gebiet geklärt werden können.

Die vielgestaltigen Umwandlungsmöglichkeiten haben zu dem Begriff der Salztektonik geführt. In ihr Gebiet fallen die in jeder Kaligrube anzutreffenden mannigfachen Fal­ tungen, die auf Fließbewegungen der Salzgesteine zurückzuführen sind. Aus ihnen kann man Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften der Salzgesteine ziehen. Bild 2/2 zeigt das Ergebnis einer derartigen tektonischen Beanspruchung. Die weißen Salzbänder sind Kieseriteinlagen im Hartsalz, die einen sekundären Carnallit umge­ ben. Derartige Fließbewegungen sind hauptsächlich auf die starke Verformbarkeit der Salze mit steigender Temperatur zurückzuführen.

Die Druckfestigkeit von reinem Steinsalz verringert sich mit steigender Temperatur wie folgt:

Diese Tatsache erklärt auch, daß die leichten plastischen Salze bei Druckeinwir­ kungen in Zeiten ihrer Umbildung sich durch alle offenstehenden Spalten einen Aus­ weg dorthin suchten, wo eine Druckentlastung möglich war.

Die Auswirkungen dieser Eigenschaft auf die tektonische Gestaltung lassen sich in den Hauptlagerstättentypen unserer heutigen Kaliund Steinsalzbezirke deutlich er­ kennen.

In Bild 2/3 ist das schematische Profil des Staßfurter Sattels wiedergegeben. Haupt­ kennzeichen dieser Lagerstättenform ist der mächtige Kern älteren Steinsalzes, an dessen Sattelflanken sich das Kalilager, in diesem Falle fast ausschließlich Carnallit, befindet. Das Steinsalz ist durch Aufpressung emporgehoben worden und hat das ur- •sprünglich söhlige Kalilp-ger in einen Sattel verwandelt. In der Nähe der Tagesober­ fläche ist es zur Bildung von Hutsalzen gekommen, deren Abbau in den ersten Jahr­ zehnten der Geschichte des Kalibergbaus viele Gruben zum Ersaufen brachte (vgl. Kap. 12).

Im Werra-Fulda-Bezirk und zum Teil auch im Südharz kam es bei Umwandlungen der Salzlagerstätten zu Erscheinungen, die als Salzspiegel und als Salzhang bezeichnet werden. In Bild 2/4 sind derartige Erscheinungsformen wiedergegeben. In beiden Lagerstätten erhielt Wasser Zutritt zu den Salzen und löste diese zum Teil auf. In

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Bild 2/3. Schematisches Profil des StnOfurter Sattels nach Lotzo

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Bild 2/4. Schema der Salzliangbildun? im Werra-Ivaligobiot, Schlchtcnsclmltt nach Fulda

unmittelbarer Nähe des Salzspiegels oder Salzhanges ist größte Vorsicht beim Abbau geboten.

2.4.Salzlagerstätten beider deutscher Staaten

Im Gebiet der beiden deutschen Staaten entstanden die wichtigsten Salzlagerstätten in der Zechsteinzeit (Bild 2/5). Danach unterscheidet man heute folgende große K ali-. bzw. Steinsalzreviere:

2.4.1.Staßfurt-Asclicrslcbcncr Revier

Im Staßfurt-Aschersiebener Revier stand die Wiege des Kalibergbaus. Das liegende ältere Steinsalz wird hier in 3 Schichtenglieder eingeteilt. Die dem Steinsalz beige­ mengten Komponenten geben den Schichtengliedern von unten nach oben die Be­ zeichnungen Anhydritregion, Polyhalitregion und Kieseritregion. Gegenwärtig ge­ winnt das mächtige ältere Steinsalz Staßfurts wirtschaftlich immer mehr an Bedeu­ tung, weil es durch ein gelenktes Aussolverfahren abgebaut und als Steinsalzsole zur Herstellung von Soda benutzt werden soll.

Das Hauptkalilager, nämlich das im gesamten Raum zwischen Nordbzw. Ostsee und dem Südharz anstehende Flöz Staßfurt ist überwiegend als Carnallit ausgebildet. Der K 20-Gehalt erreicht selten mehr als 10%. Der Carnallit wird meist rosa oder rot an­ getroffen. Er ist gebankt, an vielen Stellen auch als Trümmercarnallit vorhanden. In den Bernburger Gruben treten mehrfach große Hartsalzlinseii auf. Stellenweise ist unter einem bis 15 m mächtigen Carnallitlager ein hochprozentiger Hartsalzfuß aus­ gebildet. Die in geringen Teufen auftretenden Hutkainite werden heute aus Sicher­ heitsgründen nicht mehr abgebaut, da ihr Vorhandensein Laugen oder Wasser in un­ mittelbarer Nähe vermuten läßt.

Uber dem Kalilager findet sich eine 1 bis 2 m mächtige Steinsalzbank, die als Deckstein­ salz für den Abbau eine Rolle spielt. Die hangenden Partien sind Salzton und Haupt­ anhydrit. Hier muß unbedingt vor der irrigen Annahme gewarnt werden, daß der Salzton eine wasserabschließende Schicht sei. Er ist auf Grund seiner teilweisen Härte tektonisch stark beansprucht worden, so daß es zu Kluftbildungen kam, die meist durch sekundären Carnallit oder Fasersteinsalz ausgefüllt worden sind. Die Be­ deutung des Salztones für die Wahl und Durchführung der Abbaumethode ist erst in den letzten Jahren erkannt worden. Seine Dreiteilung ist entscheidend für Gebirgsdruckauswirkungen und besonders im Südharzgebiet für die Steinfallgefahr aus dem

Hangenden. Der untere Teil wird aus einer Wechsellagerung von Ton und Anhydrit­ bänken gebildet, dem sich der mächtigere, weiche, zum Teil plastische Mittelteil anschließt, der dunkelbis rotbraun gefärbt ist. Der obere hangende Teil des Salz­ tones besteht aus dolomitischen Bestandteilen. Insgesamt erreicht der Salzton im Staßfurter Gebiet Mächtigkeiten zwischen 20 und 60 m.

Der über dem Salzton abgelagerte Hauptanhydrit ist das härteste und sprödeste Ge­ stein der gesamten Schichtenfolge. Sein Einfluß auf die Gebirgsschlagbildung schien lange Zeit eindeutig, ist heute aber umstritten (vgl. Kapitel 5). Über dem Hauptan­ hydrit findet sich in großer Mächtigkeit das jüngere Steinsalz, dessen Reinheit eine bergmännische Gewinnung in mehreren Gruben des Staßfurt-Ascherslebener Gebie­ tes gestattet. Nach oben wird das jüngere Steinsalz durch eine Wechsellagerung von Anhydrit, rotem Ton und Steinsalz abgeschlossen. Letzteres wird an manchen Stellen als Schneesalz abgebaut.

Das Staßfurt-Ascherslebener Gebiet hat seine überragende wirtschaftliche Bedeutung aus dem vergangenen Jahrhundert heute eingebüßt. Es sind nur noch wenige Gruben in Betrieb, die sich um die Städte Staßfurt und Bernburg gruppieren. Es ist aber sicher, daß dieser Lagerstättenbezirk in kommenden Jahrzehnten erneut einen großen Aufschwung erleben wird, da die vorhandenen umfangreichen Carnallitvorkommen volkswirtschaftlich sehr bedeutungsvoll sind. Wenn es gelingt, für die anstehenden Salze ein ökonomisches Verarbeitungsverfahren zu finden, wird der Neubau leistungs­ fähiger Großwerke bis 1980 vor sich gehen. Dazu kommt die Tatsache, daß im gleichen Bezirk umfangreiche Steinsalzgruben liegen, deren Förderung in der Zukunft wesent­ lich gesteigert wird.

2.4.2.Saale-Unstrut-Revier

Im Saale-Unstrut-Revier arbeiten heute nur noch 4 Förderschächte. Eine große An­ zahl stilliegender, z. T. ersoffener Schachtanlagen zeigt aber, daß hier in früheren Jahrzehnten ein bedeutenderer Abbau von Kalisalzen und Steinsalz umging. Aller­ dings ist die Vielzahl der abgeteuften Schachtanlagen auf das Profitstreben der da­ maligen Konzerne zurückzuführen.

Das Kaliwerk „Deutschland“ bei Teutschenthal westlich von Halle fördert heute Carnallit und Steinsalz. Der Carnallit ist in einer bis zu 40 m mächtigen Ablagerung vorhanden. Aber nur 12 m aus der Mitte des Flözes Staßfurt heraus,sind bauwürdig und werden gewonnen. Die hangenden Partien sind von Bischofitund Tachydritschichten durchzogen, die auf Grund ihrer außerordentlich leichten Löslichkeit dem bergmännischen Abbau große Schwierigkeiten entgegensetzen.

Das zweite heute fördernde Kaliwerk im Saale-Unstrut-Revier ist der VEB Kaliwerk „Heinrich Rau“ in Roßleben. Die günstige Ablagerung des Kaliflözes Staßfurt mit einem geringen Einfallen nach Norden und dem Vorhandensein umfangreicher Vor­ räte auf Hartsalzbasis hat dazu geführt, daß hier erhebliche Investitionen zur Steige­ rung der Förderung und Produktion eingesetzt wurden.

2.4.3.Südharzrcvicr

Das Südharzrevier erstreckt sich vom Sondershausener Gebiet bis an die Grenze des Eichsfeldes. Das in Westdeutschland liegende Kaliwerk „Königshall-Hindenburg“ muß auf Grund seiner geologischen Bedingungen auch zum Südharzgebiet gerechnet werden.